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科研进展

科学家首次发现原子核基态存在分子型结构

发表日期:2023-11-25来源:近代物理研究所放大 缩小

  中国科学院近代物理研究所科研人员及合作者近日首次通过实验证实在原子核基态中存在分子型结构。该研究于11月21日发表在国际物理学顶级期刊Physical Review Letters上,并作为亮点工作被美国物理学会的Physics杂志在线报道。

  原子核是由质子和中子等核子组成的量子多体系统,其半径只有原子的万分之一,但其质量却占比原子质量的99.9%以上。核子间的相互作用形成了多种有趣的原子核结构,从球形核到变形核,甚至是表面密度稀疏的中子晕核。在这些结构中,原子核内出现集团结构是一个引人入胜的现象。  

  原子核基态中的集团结构并不常见。上世纪60年代,日本著名核物理学家Ikeda指出,集团结构更多地出现于α共轭核(质子数和中子数相等且为偶数)的激发态中。而有关基态集团结构的讨论可以追溯到1938年,理论物理学家Hafstad和Teller通过分析α共轭核的结合能,发现α-α之间相互作用的能量近似常数,因此推测铍-8、碳-12、氧-16等原子核的基态中可能存在α分子型的集团结构。但这一理论假设一直未能被证实。  

  近期,近代物理所科研人员和合作者以新颖的实验方法,首次证实了在丰中子核铍-10基态中存在分子型结构。  

  该实验在日本理化学研究所放射性核束工厂(RIBF)上完成。研究团队通过逆运动学下的敲出反应,研究了铍-10的α集团结构。实验中,0.5倍光速的铍-10次级束流轰击2毫米厚的固态氢靶,束缚在铍-10核中的α集团由质子敲出,几乎不转移任何动量给反应余核, 使其保持了铍-10基态中的集团结构信息。  

  实验结果表明,敲出反应的实验截面与微观模型下的理论预测非常吻合,从而验证了长期以来对铍-10基态的分子态结构假设,即形成α-α哑铃状核心,两个价中子垂直绕核心轴旋转。类似的结构可以在原子尺度上找到,但在原子核基态中非常罕见。  

  这项研究首次为原子核基态的分子态结构理论描述提供了实验证据,并为进一步探索丰中子核基态中α集团结构的演化开辟了方向。  

  这项研究工作由近代物理所联合香港大学、法国巴黎-萨克雷大学、日本理化学研究所、日本大阪大学、南京航空航天大学等国内外27家科研单位合作完成。该工作得到了中国科学院战略性先导科技专项(B类)、博士后国际交流计划引进项目、国家自然科学基金等项目的支持。  

   

图1: 丰中子核铍-10基态集团结构敲出反应示意图(图/李朋杰)  

   

  图2:铍-10原子核基态的分子型结构(图/李朋杰)  

      

  文章链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.212501      

  Physics杂志报道链接:https://physics.aps.org/articles/v16/s167  

                                                        (核反应研究室 供稿)  

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